RU98946U1 - Пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents

Abstract

Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей, с помощью соединительного элемента, отличающийся тем, что соединительный элемент имеет со стороны резьбовой части на всю длину резьбы отверстие диаметром 0,3÷0,4 от внутреннего диаметра d1 резьбы, определяемого по формуле ! ! где С=190÷218 - коэффициент, учитывающий объем и материал пьезоэлектрических пластин, МПа·В·мм3; ! где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В; ! [σ] - допустимое напряжение на растяжение стали, из которого изготовлен соединительный элемент, МПа.

Description

Полезная модель относится к технологическому применению ультразвука в промышленности и может быть использована при разработке оборудования для обработки, очистки и других целей. Известен акустический преобразователь, содержащий пакет пьезоэлектрических шайб, четвертьволновую переднюю и заднюю накладки с отверстиями, стягивающий болт с гайкой (759148, В06В 1/06, 30.08.2008).

Недостатком данного устройства является низкая надежность из-за невозможности определения геометрических размеров наиболее слабого звена - стягивающего элемента в процессе сборки пьезоэлектрического преобразователя.

Наиболее близкой к заявленной полезной модели является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими прокладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей (патент на полезную модель №78700, В06В 1/06, 10.12.2008).

Недостатком данного устройства является невозможность расчета надежности конструктивных элементов соединительного элемента с учетом допустимого напряжения на растяжения материала из которого он изготовлен, и напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин.

Технический результат предполагаемой полезной модели состоит в повышении надежности пьезоэлектрического преобразователя за счет определения зависимости внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента от допустимого напряжения на растяжения материала из которого он изготовлен и напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин.

Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей, с помощью соединительного элемента, отличающийся тем, что соединительный элемент имеет со стороны резьбовой части на всю длину резьбы отверстие диаметром 0,3÷0,4 от внутреннего диаметра d₁ резьбы определяемого по формуле:

где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В;

[σ] - допустимое напряжение на растяжение стали, из которого изготовлен соединительный элемент, МПа.

На чертеже изображен пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрический преобразователь содержит две пьезопластины 1, между которыми заключена металлическая прокладка из отожженной меди 2 и изолирующая втулка из электротехнического текстолита 3, которые сжимаются частотопонижающими накладками 4 и 5, при этом накладка 4 является отражающей, а накладка 5 -излучающей Излучающая накладка выполнена из стали 40ХН, закаленной до HRC_э 44..46, а отражающая из мягкой стали 10. Жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента в виде болта 6, который изготовлен из стали с высоким временным сопротивлением. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом. С ультразвукового генератора 7 подается электрический сигнал на пьезопластины.

Наиболее простой способ увеличения амплитуды колебаний на торце излучающей частотопонижающей прокладки - повышение момента завинчивания соединительного элемента. Однако с увеличением момента завинчивания соединительного элемента увеличиваются напряжения в резьбовом соединении, что ведет к разрушению по внутреннему диаметру резьбы. Исследования по повышению усталостной прочности соединительного элемента показали, что ее можно увеличить просверлив отверстие d диаметром 0,3-0,4 от внутреннего диаметра d₁, резьбы на всю длину резьбы.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

В режиме излучения на поверхности пьезопластин 1, разделенных металлической прокладкой 2 из мягкой отожженной меди и изолирующей втулки 3 из электротехнического текстолита подается возбуждающее напряжение резонансной частоты пьезопластин. В соответствии с эффектом Пуансона пластины 1 изменяют свою толщину, вследствие чего возникает волна, которая передается на две частотопонижающие накладки, при этом накладка 4 является отражающей и выполнена из мягкой стали 10, а вторая излучающая 5 выполнена в виде концентратора из закаленной стали 40ХН, на торце которого имеется резьбовое отверстие d₁ для завинчивания соединительного элемента 6, который представляет собой болт с мелкой резьбой и выполнен из высокопрочной низкоотпущенной стали. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора 7 на пьезопластины. Завинчивание осуществляется динамометрическим ключом.

При сборке пьезоэлектрического преобразователя жесткий акустический контакт осуществляется с помощью соединительного элемента (болта). Увеличивая его диаметр можно приложить и повышенный момент завинчивания, что приводит к уменьшению напряжения возбуждения пьезоэлектрических пластин, которое определяется по формуле:

где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В;

М_кр - крутящий момент завинчивания соединительного элемента, Нм.

Данная зависимость получена при сборке пьезоэлектрического преобразователя, который представляет собой пакет Ланжевена, состоящий из двух пьезопластин маркок ЦТС-19 или ЦТС-24 с резонансной частотой 18÷24 кГц. Между ними установлена для подведения электрического сигнала металлическая прокладка из отожженной меди и изолирующая втулка из электротехнического текстолита. Излучающая накладка выполнена из закаленной стали 40ХН, закаленной до HRС_э 44..46, а отражающая - из мягкой стали 10. Сборка осуществляется при помощи центрального соединительного элемента (болта) изготовленного из стали 35ХГСА с резьбой M10×1 и динамометрического ключа, что позволяет измерять момент завинчивания. Электрический сигнал подается с ультразвукового генератора УЗГ 3-0,25, а амплитуда колебаний измерялась виброметром УБВ-2. Оптимальной амплитудой ультразвуковых колебаний при лезвийной механической обработке считается величина 4-6 мкм полученная экспериментальным путем. Момент завинчивания в зависимости от геометрических и прочностных характеристик соединительного элемента определяется по формуле:

где d₁ - внутренний диаметр резьбы, мм;

- допускаемое предельное напряжение материала болта при растяжении под действием знакопеременной нагрузки, МПа;

n - минимальное значение коэффициента запаса прочности материала болта;

- предел выносливости материала болта при растяжении с симметричным циклом, МПа;

σ_B - временное сопротивление материала болта, МПа;

d₂ - средний диаметр резьбы, мм;

- средний диаметр опорной поверхности головки соединительного элемента (болта), мм;

d_oтв - диаметр отверстия под соединительный элемент (болт), мм;

f_т - коэффициент трения на торце головки соединительного элемента (болта);

угол подъема средней винтовой линии резьбы соединительного элемента (болта);

Р - шаг резьбы;

- приведенный угол трения в резьбе;

f_P - коэффициент трения в резьбе;

α - угол профиля резьбы;

так как резьба на соединительном элементе нарезается с мелким шагом, то с достаточной точностью можно принять d₁=d₂

Из формул (1) и (2) следует, что внутренний диаметр резьбы определяется по формуле:

Соединительный элемент (болт) выполнен из стали 35ХГСА с метрической резьбой М10×1, тогда:

d₁=9 мм;

f_P=0,2

;

σ_B=1400÷1700, МПа, принимаем минимальное значение 1400 МПа; n=1,5÷2, принимаем n=1,5 для наиболее худшего случая.

Выходное напряжение ультразвукового генератора УЗГ 3-0,25 составляет от 180 до 220 В, которое и применяется при расчетах внутреннего диаметра d₁.

Подставляя полученные данные в формулы (1) и (2) получим d₁=8,8÷9,2 мм, внутренний диаметр резьбы M10x1 равен 9 мм, т.е. сходимость результатов удовлетворительна (погрешность измерения составляет 4,5%).

Предполагаемая конструкция пьезоэлектрического преобразователя в ультразвуковом станке для механической обработки, очистки и других целей позволит оптимизировать выбор стали и внутреннего диаметра резьбы соединительного элемента, что значительно повысить его надежность и долговечность в процессе эксплуатации.

Claims (1)

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезопластины и металлическую прокладку, закрепленные между частотопонижающими накладками, одна из которых является излучающей, а вторая отражающей, с помощью соединительного элемента, отличающийся тем, что соединительный элемент имеет со стороны резьбовой части на всю длину резьбы отверстие диаметром 0,3÷0,4 от внутреннего диаметра d₁ резьбы, определяемого по формуле

   

   где С=190÷218 - коэффициент, учитывающий объем и материал пьезоэлектрических пластин, МПа·В·мм³;

   где U - напряжение возбуждения пьезоэлектрических пластин, В;

   [σ] - допустимое напряжение на растяжение стали, из которого изготовлен соединительный элемент, МПа.